LA DETERMINATION DE PROPRIETES THERMIQUES DE BRIQUE REFRACTAIRES

Les argiles

              L’argile est l’une des matières premières de base pour la confection de briques réfractaires et des produits céramiques. Ainsi, pour les chercheurs l’argile a une appellation ou désignation. Pour le céramiste, elle désigne un matériau donnant après humidification une pâte plastique. Pour le minéralogiste, elle est désignée comme un minéral ayant une structure phyllitheuse, en particulier des matières tels que le mica, la vermiculite, le talc… entrent sous cette désignation [1]. Principalement, le constituant utilisé pour la confection de briques réfractaires est composé des kaolinites. Le kaolin pur cuit blanc a une réfractaire de 1800°C. Les argiles contenant de l’halloysite ressemblent apparemment à la kaolinite, mais elles sont plus plastiques et donnent après cuisson un matériau plus dense. Lesargiles et les kaolins se trouvent le plus souvent associés à d’autres minéraux que l’on considère comme des impuretés car ils modifient les propriétés de plasticité, de couleur, de coulabilité… A titre d’exemple, la présence de fer, de composés alcalins et alcalino-terreux, tend à réduire la réfractarité, exception faite pour les hydrates d’alumine comme la gibbsite, la diaspore et la boehemite. Par ailleurs, la présence de grains de quartz peut diminuer le retrait sans provoquer une réduction notable de la température de fusion.

Utilisation de briques réfractaires [15] [19] [27]

               D’une part, l’utilisation de la brique réfractaire dépend du secteur industriel. Du point de vue général, elle se trouve bien dans la conception des barbecues, des cheminées, des fours à pain ou à pizza, des chaudières et des murs qui sont proches d’un poêle à chauffer ou d’une quelconque importante source de chaleur. Dans toutes les industries consommatrices de brique réfractaires le choix est imposé par les conditions thermiques du processus de fabrication et les caractéristiques des fours. Les principaux secteurs industriels consommateurs de briques réfractaires sont les suivants : l’industrie céramique, la sidérurgie, la métallurgie des métaux non ferreux, l’industrie du ciment et de la chaux et l’industrie du verre… Tout d’abord, l’industrie céramique est l’un des secteurs les plus consommateurs de briques réfractaires. Ils y sont employés comme revêtement des fours ou supports de cuisson. Les fours d’émaillerie moufles sont garnis en briques de corindon, de carbure de silicium. Le revêtement des fours non-moufles est fait de briques d’argile réfractaire. Pour le revêtement interne des fours tunnel, il se fait en fonction de la température, de la zone et du régime de cuisson. Ainsi, les briques de zircon, toute une gamme de produits réfractaires est proposée en fonction de leurs caractéristiques et des exigences imposées par le régime de cuisson. Il en est de même pour les fours à rouleaux à cuisson rapide. Dans l’industrie de la sidérurgie, le haut fourneau qui reste l’outil de production de la fonte est constitué de briques à haute teneur en alumine et de carbone pour les étalages et le creuset. En outre, l’élaboration de l’acier en four nécessite de briques réfractaires de type argileux à haute teneur en alumine, de briques réfractaires de silice, de briques réfractaires de magnésie pour les voûtes de four ainsi que les briques de dolomie dans l’aciérie à l’oxygène. Ensuite, en ce qui concerne la métallurgie des métaux non ferreux, les tendances actuelles en matière de réfractaires peuvent se résumer comme suit, au contact du bain fondu de l’aluminium, on emploie généralement de briques réfractaires à haute teneur en alumine ou autres ne renfermant ni oxyde de fer ni silice non combinée. On retrouve également, dans des cas particuliers, de chromite, de carbone de silicium ou de zircone et des produits de magnésie. La brique réfractaire de silice utilisée presque exclusivement dans les fours réverbères de la métallurgie du cuivre et du nickel ont été supplantés par les réfractaires basiques dans les vingt (20) zones exposées aux températures les plus élevées et à la corrosion par les gaz. Les voûtes des fours réverbères de la métallurgie du cuivre sont généralement construites en briques réfractaires de magnésie. Pour la métallurgie du zinc, ce sont les silicoalumineux de faible porosité et les briques de silice qui sont le plus utilisés. En outre, dans l’industrie du ciment et de la chaux, le revêtement des fours rotatifs de ciment se fait en fonction de la température et donc de la zone du four. Ainsi, l’entrée four et la zone de préchauffage sont revêtues en briques silico-alumineuses denses. Les zones de décarbonatation et de calcination en briques réfractaires à haute teneur en alumine, alors que la zone de refroidissement et faite en réfractaires de carborundum. Pour les fours à chaux, se sont généralement les briques réfractaires à haute teneur en alumine qui sont employés comme revêtement. Les parties intermédiaires sont garnies en silico-alumineux. Enfin, pour l’industrie du verre, le verre est un produit contenant de la silice, des alcalis et des alcalino-terreux qui réagissent assez facilement avec la plupart des réfractaires silico-argileux sujets à la corrosion, source des défauts dans le verre. Les réfractaires très riches en alumine et denses sont le plus utilisés. Actuellement, les tendances sont comme suivies : les voûtes, les piédroits, les brûleurs, et les parties hautes des récupérateurs sont faites en briques réfractaires de silice. Les briques réfractaires à haute teneur en alumine sont le plus indiqués pour leur emploi dans les distributeurs, les pièces de forme, les blocs de cuve et les chambres de récupération. Les réfractaires de zircon sont généralement employés dans le dallage de sol des fours de verre borosilicates et verres pour fibres. Les briques réfractaires de magnésie ou de chrome-magnésie résistant à l’attaque des alcalis sont aussi employées dans les récupérateurs et les parties les plus chaudes. D’autre part, pour chaque type de briques. La brique réfractaire dense est utilisée pour la fumisterie industrielle, pour la maçonnerie de poêle et la cheminée… La brique réfractaire isolante utilisée aux fours intermittents, fours tunnels, conduits de fumée, régénérateurs, gazogènes, fours pits, réacteurs et autre équipements industriels fonctionnant à haute température… De plus, pour la brique réfractaire de magnésie, elle est une brique basée par de produit basique appliquée en domaine de sidérurgie, de fours de cimenterie…Enfin, pour la brique réfractaire d’alumine, elle est utilisée pour des divers applications,le carbone fait des fours cuire au four dans l’industrie d’aluminium, préchauffez les zones et les cyclones des fours ciment rotatoires, isolation pour les réservoirs en verre, fours de cheminée et de pizza, fours coke…

INTERPRETATIONS

              L’interprétation des résultats consistent à faire l’analyse du mode de la variation de la conductivité thermique avec la température pendant l’application des quatre (4) modèles à la brique réfractaire dense et aux briques réfractaires isolantes selon leurs classes. L’application des quatre (4) modèles aux deux (2) cas de briques observe que l’allure typique des courbes de conductivité thermique en fonction de la température montre quatre(4) domaines distincts :
– Domaine I : la variation prend une allure parabolique ;
– Domaine II : la variation présente une croissance linéaire ;
– Domaine III : la variation prend une allure logarithmique ;
– Domaine IV : la variation prend une allure exponentielle.
D’une part, pour la brique réfractaire dense. Selon le modèle 1, on observe que la variation de la conductivité thermique en fonction de la température présente une croissance linéaire. Selon le modèle 2, on observe aussi que la variation de la conductivité thermique en fonction de la température présente aussi une croissance linéaire. Selon le modèle 3, on observe qu’il a la même variation à celle qu’on trouve du modèle 1 et du modèle 2.Enfin, selon le modèle 4, la variation de la conductivité thermique en fonction de la température prend une allure exponentielle. D’autre part, pour les briques isolantes, elles sont contrairement à celle de brique dense puisqu’elles sont catégorisées de classe différente : classe 23, classe 26, classe 28, classe 30 et classe 32.Selon le modèle 1, la classe 23 montres qu’à 400 à 600°Cla variation de la conductivité thermique prend une allure parabolique ; à 600 à 1200°C elle prend une allure logarithmique. Pour la classe 26, elle a la même variation à la classe 23. Pour la classe 28 et la classe 30, à 400 à 1200°C, ses variations ont les mêmes allures, elles présentent une croissance linéaire. Ainsi, pour la classe 32, on observe qu’à 400 à 800oC l’allure de la courbe de la conductivité thermique prend une allure logarithmique, tandis qu’à 800à 1000oC, elle présente une croissance linéaire et enfin à 1000°C à 1200oC, la courbe de variation de la conductivité thermique prend une allure exponentielle. Selon le modèle 2, on observe que la variation de la conductivité thermique en fonction de la température de chaque classe de brique a la même allure à celle du modèle 1. Selon le modèle 3, la classe 23 montres qu’à 400 à 600°Cla variation de la conductivité thermique prend une allure parabolique telle qu’à 600 à 1200°C elle prend une allure logarithmique. La classe 26, montres aussi qu’à 400 à 600°Cla variation de la conductivité thermique prend une allure parabolique et à 600 à 1200°C elle prend une allure logarithmique. Pour la classe 28 et la classe 30 ses variations présentent une croissance linéaire à 400 à 1200°C. Pour la classe 32, on observe qu’entre 400 à 800oC l’allure de la courbe de conductivité en prend une allure logarithmique, tandis qu’à 800 à 1000oC, elle présente une croissance linéaire et enfin à 1000 à 1200oC la courbe de variation prend une allure exponentielle. Pourtant, selon le modèle 4,on observe que la variation de la conductivité thermique en fonction de la température prend une allure exponentielle pour toute la classe de briques isolantes.

CONCLUSION GENERALE

                 La brique réfractaire est un matériau très nécessaire dans l’histoire des matériaux réfractaires et dans les secteurs industriels. Sa composition et sa confection suivent les normes requises selon les besoins dans la vie humaine. Le principal avantage de la brique réfractaire réside sur sa grande résistance à la chaleur. Parfaitement isolante, elle permet de conserver la chaleur, ce pourquoi on l’utilise généralement dans des nombreuses installations. En plus, elle permet un gain de temps au montage et des joints mince et réguliers assurant une meilleure stabilité du garnissage. La brique réfractaire accumule rapidement la chaleur et la diffuse par rayonnement. Elle est aussi conçue pour résister à très hautes températures et permet aussi des économies d’énergie. Le pouvoir isolant très élève de brique réfractaire permet la réalisation de parois maçonnées de faible épaisseur. De plus, elle possède une forte inertie thermique exposés à une source de chaleur et surtout refroidissent avec lenteur, elle permet aussi de réduire la consommation énergétique des fours. La brique réfractaire possède des caractéristiques chimiques et mécaniques. Chimiquement, elle possède des sources d’oxydes et de teneurs en alumine (Al2O3), silice(SiO2), oxyde de fer (Fe2O3), oxyde de titane (TiO2), chaux (CaO), magnésie (MgO), soude (Na2O) et la potasse (K2O). La très faible teneur en fer et en fondants alcalins confère aux briques une bonne résistance à la déformation à chaud, en plus leur teneur en alumine (Al2O3), en silice (SiO2) et en magnésie(MgO) contribue à leur stabilité en atmosphère réductrice. Appart, les caractéristiques mécaniques de la brique réfractaire conditionnent ses propriétés thermiques. Les propriétés thermiques qui caractérisent la brique réfractaire sont la capacité thermique massique, la conductivité thermique, la diffusivité thermique et l’effusivité thermique. Dans notre étude nous avons traité particulièrement la conductivité thermique pour faire une étude d’évaluation. Ainsi, nous avons utilisé quatre (4) sortes de modèles d’équation de conductivité thermique en fonction de la température appliquée à la brique réfractaire dense et aux briques réfractaires isolantes selon leurs classes. Les deux (2) modèles parmi ces quatre (4) modèles sont proposés pour l’étude de détermination des coefficients de conductivité. Après avoir déterminé les paramètres de coefficient de chaque modèle, nous avons étudié la variation de la conductivité thermique de chaque brique en fonction de la température. De ceci, l’application des quatre (4) modèles sur les deux cas de briques réfractaire nous montre que chaque modèle a sa spécificité. A cet effet, des études comparatives sur les résultats des modèles ont été entrepris. Bref, on peut dire que l’apparition de brique réfractaire comme matériaux de construction s’est avérée très spécial et très bénéfique pour les secteurs industriels et le besoin de l’homme. Aussi, de chercher de méthodes pour la détermination de conductivité thermique appliqué à la brique réfractaire dense et à l’isolantes selon leurs classes et leur température a fait l’objet d’étude dans ce travail. Il faudrait alors étendre cette étude sur les autres variétés des matériaux réfractaires et insister d’une façon détaillée sur tous leurs constituants et ce dans un laboratoire bien équipé. Il faut savoir l’influence de chaque paramètre physique pour avoir des modèles beaucoup plus performant que celui qu’on a trouvé. Il faut exploiter aussi dans cette étude autres modèles d’équation de conductivité thermique en fonction de la température.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES BRIQUES REFRACTAIRES
I-1 Définition de la brique réfractaire
I-2 Procédé de confection de briques réfractaires
I-2-1 Explication du schéma de procédé de confection de briques réfractaires
I-2-1-1 Les matières premières
I-2-1-2 Le façonnage
I-2-1-3 Le séchage
I-2-1-4 La cuisson
I-3 Type de briques réfractaires
I-4 Utilisation de briques réfractaires
CHAPITRE II : CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES DE BRIQUES REFRACTAIRES
II-1 Caractéristiques technologiques de briques réfractaires
II-2 Caractéristiques du type de briques réfractaires en fonction de ses propriétés
II-2-1 Brique réfractaire dense
II-2-2 Briques réfractaires isolantes
II-2-3 Briques réfractaires de magnésie
II-2-4 Briques réfractaires d’alumine
II-3 Conclusion
CHAPITRE III : PROPRIETES THERMIQUES DE BRIQUES REFRACTAIRES
III-1 Capacité thermique massique
III-2 Diffusivité thermique
III-3 Effusivité thermique
III-4 Conductivité thermique
III-4-1 Définition
III-4-2 Détermination de la conductivité thermique
III-4-2-1 Facteurs influençant la conductivité
III-4-2-2 Modèles de calcul de conductivité
III-4-2-3 Méthode de résolution
III-4-3 Evaluation de la conductivité thermique
III-4-3-1 Evaluation par le modèle 1
III-4-3-2 Evaluation par le modèle 2
III-4-3-3 Evaluation par le modèle 3
III-4-3-4 Evaluation par le modèle 4
CHAPITRE IV : INTERPRETATIONS ET DISCUSSIONS DES RESULTATS
IV-1 INTERPRETATIONS
IV-2 DISCUSSIONS
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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